摘要：由于钢结构整体刚度和抗震性能好、施工速度快、自重轻、承载力高，在大跨度及超高层建筑中代替了钢筋混凝土结构，但也存在着防火性能差、易腐蚀等缺点，在设计中根据其特点扬长避短才能更好地发挥钢结构的作用，本文中笔者就钢结构工业厂房优化设计进行了阐述。
关键词：轻钢结构厂房优化设计
中图分类号：TU391文献标识码： A
一、轻钢结构厂房的优缺点
截至目前，我国轻钢结构厂房还处于起步阶段，同传统钢筋混凝土结构建筑相比，轻钢结构厂房具有如下优点：
1、抗震性能好
轻钢结构材料的抗震性能较好，钢材具有良好的抗拉性、抗压性、抗剪性，能够承载较大弯曲，是一种延展性较强的材料；此外，钢材自身重量较轻，同钢筋混凝土结构相比，跨度相同、荷载相同的情况下，轻钢结构钢屋架的重量是钢筋混凝土结构屋架的25%-30%。能够满足地震设防烈度相对较高的地点对厂房的要求，轻钢结构的综合经济性优于传统建筑中的钢筋混凝土结构。
2、安装简便、环保
轻钢结构建筑的搭建不受季节影响，一栋200平米左右的建筑，5个熟练工人便可在20日内完成从地基到装修的整个施工过程，大大缩短了施工时间，提高施工效率。轻钢结构建筑的材料回收了达100%，是真正的无污染建筑。
3、耐久性
建筑中采用的轻钢结构大多是冷弯薄壁钢构件，钢骨都进行防腐处理，这样便可避免在施工及使用的过程出现钢板锈蚀现象，进而增加了钢板的使用寿命，部分轻钢结构的使用寿命可达100年。
4、舒适性好
与砖瓦结构建筑相比，采用轻钢墙体的建筑具有呼吸功能，能够自行调节室内空气的干湿，另外房屋屋顶还具有通风功能，在房屋内部上空可以形成流动的空气间，从实现屋顶房屋通风散热的需求。
5、轻钢结构缺点
轻钢结构容易受到腐蚀，防火性能较差，因此厂房设计人员在设计中应当充分考虑轻钢结构自身特点，扬长避短，才能使轻钢结构在厂房建设中发挥更大的作用。
二、轻钢结构的特点及适用范围
1、结构特点
轻钢结构与普通( 传统) 钢结构相比, 除具有普通钢结构的自重较轻、材质均匀、应力计算准确可靠、加工制造简单、工业化程度高、运输安装方便外, 还有以下特点:
1) 用钢更省, 主框架钢材可省40% ~ 50%。
2) 轻钢结构的设计制作和安装已形成工业产品化、系列化、标准化的运行模式, 效率更高, 质量也更有保证。
3) 设计程序化, 生产联网自动化。现在有许多比较成熟的轻钢结构设计程序, 如同济大学研制出的3D3S 程序、中冶集团建筑研究总院开发的PS2000及阿依艾公司的SSDD 等。
2、适用范围
轻钢门式刚架通常用于跨度9~ 36 m, 柱距6 m( 7. 5 m 或9 m) , 柱高4. 5~ 12 m、设有吊车起重量较小的单层工业厂房或公共建筑( 超市、娱乐体育设施、车站候车室、码头建筑)
三、轻钢结构厂房优化设计要点
1、合理选择柱网尺寸
在门式刚架的设计中, 从综合经济分析的角度, 合理的柱网布置对整个结构的优化设计至关重要。门式刚架房屋由多榀刚架组成, 形式通常为“门”字形, 端部设抗风柱, 各榀刚架间通过支撑和系杆连成整体。这种结构竖向荷载由刚架梁传至刚架柱, 横向作用由各榀刚架承担, 纵向作用则由柱间支撑承担。刚架的跨度和柱间距是影响结构用钢量的主要因素, 另外, 结构高度、材料强度、荷载大小、有无吊车、单跨多跨等都对结构用钢量变化有明显的综合影响。根据设计经验, 在确定柱网尺寸时可综合考虑下列因素影响:
1) 不论是否设有吊车, 门式刚架的跨度宜为12. 0 m ~36. 0 m, 较经济的跨度建议在18. 0 m~ 24. 0 m 范围内采用, 其合理的最大跨度不宜大于36. 0 m。
2) 不论是否有吊车, 门式刚架的合理柱距宜为6. 0 m ~9. 0 m, 建议采用7. 5 m 左右的较大柱距, 对无吊车刚架采用较大柱距经济性更为明显。
3) 门式刚架的跨度及荷载较大, 或设有吊车时, 建议刚架及吊车梁宜采用强度较高的Q345 钢。
4) 门式刚架结构的柱距直接影响次结构构件( 包括吊车梁)的经济性, 次结构构件的用钢量有时可达总钢量的50 %, 并起到重要的调节平衡作用, 故应当重视而且合理做好次结构构件的设计工作。
5) 屋盖荷载增加( 跨度敏感) 或柱高增加( 风荷载敏感) 均会引起用钢量较明显的增加, 设计时应注意正确的计算荷载取值。
2、节点设计
单层刚架厂房, 柱子与基础连接处往往设计成铰接, 柱子与横梁处为刚接, 但由于种种原因, 计算假定可能与实际情况不符, 譬如吊车厂房的上柱与屋面梁的连接, 或多层刚架厂房上柱与屋面梁的连接处, 与梁端截面相比较, 上柱截面高度往往较小, 尽管采用高强螺栓按固接计算进行连接节点设计, 看似固接, 但由于梁端截面远远大于柱顶截面高, 二者刚度比相差很大, 柱子刚度小, 对梁起不了或不能很好产生嵌固作用, 就形不成理想刚性, 使这个节点近似于固接与铰接之间的状态, 产生的结果将是梁的挠度增大, 跨中实际弯矩值增加, 对正常使用状态与承载能力极限状态均是不利的, 严重时甚至影响刚架的几何不可变性。看似是节点处理问题, 实质是对刚架整体受力状态的把握有偏差。柱顶处梁端的嵌固必须以柱子本身刚度来保证。
3、刚架最优柱距的确定
刚架的柱距与刚架的跨度、屋面荷载、檩条形式等因素有关。随着刚架柱距的增大，刚架用钢量是逐步下降的，但当柱距增大到一定的数值后，刚架的用钢量随着柱距的增大其下降的幅度较为平缓，而其他如檩条、墙梁的用钢量随着柱距的增大而增加，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降后上升。大量计算数据表明：一般情况下，门式刚架的最优柱距为6―9 m，柱距不宜超过9m，超过9m屋面檩条与墙梁体系的用钢量增加太多，综合造价并不经济。因此，从综合分析的角度看，确定合理的柱距才能既节省钢材，又使设计真正做到定型化、专门化、标准化以及轻型化，从而推动门式刚架轻型房屋结构体系在我国的发展。
4、合理跨度的确定
在设计中，应该根据具体房屋的高度来确定合理的跨度，总体来说，当荷载和柱高一定时，我们在设计中就应适当加大房屋的跨度，这样一来，刚架的用钢量整体增加不明显，但却很大程度上节省了空间。通过大量计算得出：当檐口高度为7 m、柱距8．5 m，荷载情况完全一致的情况下，跨度在18―48 m之间的刚架单位用钢量为18～35 kg／m2，当檐口高度为12 m时(其他情况相同)，跨度在18―48 m之间的刚架单位用钢量(Q235一B)为25―40 kg／m2，因此，在工艺要求允许的情况下，设计人员选择方案时应选择较为经济合理的跨度，不宜盲目追求大跨度。
5、 截面优化设计
实现截面优化的方法主要有两种：
1）穷举法。首先仔细计算和比较各种合理的构件截面形式，并在满足具体设计要求的情况下，以用钢量最少或造价最低作为控制条件，得到满意的截面尺寸。门式刚架常采用变化构件的截面来适应弯矩的变化以达到节约钢材的目的。除腹板的高度变化外，厚度也可根据需要变化，上、下翼缘可以用不同截面，相邻单元的翼缘也可采用不同的截面形式。因此，影响整个刚架用钢量的因素有上、下翼缘宽度、厚度，腹板的厚度，构件大头、小头的高度，而且这些因素之间也互相影响，互相不独立。工程设计从形式上来说，是一种非常严格的力学和数学方法的精确运算过程。
2）用最优化理论。首先可以把问题归纳为一个单目标的问题，用钢量最少或造价最低最为优化的具体目标函数，应力、位移等可以作为约束条件，最后用我们的数学方法得到最满意的解。
事实上，结构设计中起重要作用的并不是那些运算方法和数学处理，而是一系列难以用精确的计算解决的、具有主观色彩的决策问题。所以，完全用最优化理论来解决截面优化设计有很大的复杂性。当设计人员决定了结构形式后，截面优化比较简单易行的方法是按照构件的内力来调整截面尺寸，经过试算来确定重量最小的截面。这种方法不但计算次数少，而且可以人工干预截面优化范围，快速的得到比较理想的截面尺寸。
6、柱脚设计
轻钢结构柱脚形式有两种：即铰接柱脚和刚接柱脚。对于铰接柱脚，基础仅受轴心荷载作用，设计相对比较简单。但部分轻钢节结构厂房都有吊车，依据《轻钢结构刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定：用于工业厂房且有5 t以上的桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接；《技术措施结构2003)规定：当设有桥式和梁式吊车时，轻钢结构刚架柱宜采用等截面构件，柱脚应设计成刚接。因此5 t以上的桥式和梁式吊车的门刚结构柱脚应设计成刚接；3 t及以下悬挂式吊车和无吊车的门刚结构，柱脚才可以设计成铰接。有较大吊车的房屋，柱顶位移较大，柱脚采用刚接，使得每榀刚架形成超静定结构，不但能减小柱顶位移而且具有更大的安全储备。对于高宽比和风荷载较大的无吊车门刚结构，柱脚也宜设计成刚接。
同时当柱底板与混凝土基础间的摩阻力不足以抵抗全部的水平剪力时柱脚还应设置抗剪键，抗剪键的设置需要计算。在基础施工时应留置键槽，键槽每侧宽出抗剪键不小于30 mm，底部空隙高度不小于20mm。在柱脚底板和基础顶面之间留有一定空间，柱脚铰接时不宜大于50 mm，柱脚刚接时不宜大于100 mm。
结束语：
综上所述，应该加强轻钢结构的整体稳定性及局部稳定性，降低由于设计缺陷带来的起失，促进轻钢结构在应用领域的发展。同时，建筑轻钢结构行业是一个新型的行业，它是建筑和机械的混合新型行业，因此在建筑轻钢结构发展的过程中，要特别注意设计细节问题，综合设计、施工、技术、造价、施工、采购等多个环节，我们有理由相信在采取合理设计方案及细部节点构造处理等措施后，能够为我国轻钢结构厂房建设创造良好口碑及广阔前景与空间。
参考文献：
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